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Aspheric Lens Takeover
The Future of Microscope Objectives

2-µm-
Lasers

November 2018 | Alle Trends in der Optik Themen ansehen

Able to Go Where No Wavelength has Gone Before

 

Einzigartige Absorptionseigenschaften ermöglichen die Erzeugung kleiner und präziser Schnitte

 

Minimale thermische Verletzungszone in medizinischen Laseranwendungen durch Absorption in Wasser

 

Ideal für Anwendungen der Materialbearbeitung, wie zum Beispiel Kunststoffverarbeitung

 

Höhere Effizienz, Benutzerfreundlichkeit und Stabilität durch aktuelle technische Fortschritte

Biologisches Gewebe, Polymere und unzählige andere Materialien weisen spezifische Absorptionseigenschaften bei Wellenlängen um 2 µm auf, sodass Laser in diesem Spektralbereich, z. B. Thulium- (2080 nm) und Holmium-Laser (2100 nm), nur sehr kleine Bereiche aufheizen und die Beschädigungen der umgebenden Bereiche minimal sind. Daher sind 2-µm-Laser ideal für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, z. B. Materialbearbeitung und Laserchirurgie. 2-µm-Laser gibt es zwar schon seit Jahrzehnten, doch wurden Zugänglichkeit, Wirkungsgrad und Stabilität erst durch aktuelle Fortschritte bei deren Bauweise erheblich verbessert. UV- und 1-µm-Laser weisen andere Absorptionseigenschaften auf und können die Anforderungen dieser speziellen Anwendungen in der Materialbearbeitung und Medizintechnik nicht erfüllen.

Weiterentwicklungen bei 2-µm-Lasern: Kompakt und leistungsstark

Die ersten 2-µm-Laser waren extrem große, sehr teure Systeme mit Flüssigstickstoffkühlung, die für einen breitgefächerten Einsatz nicht infrage kamen. Durch Weiterentwicklungen in der 2-µm-Laser-Technologie konnten jedoch die Kosten gesenkt sowie die Größe reduziert und gleichzeitig die Leistung verbessert werden. So sind moderne 2-µm-Diodenlaser mit einer maximalen Länge von 30 mm verfügbar, Faserlaser sind sogar noch kleiner. In einigen Forschungslaboren werden Komponenten aus Glasfasern entwickelt, mit denen die Kosten erheblich verringert werden können. Aufgrund der geringen Kosten, Benutzerfreundlichkeit und Vielseitigkeit (gepulst und cw), ersetzen 2-µm-Laser zunehmend ältere Lichtquellen.

Materialbearbeitung

Laser mit Wellenlängen von 1 bis 1.5 µm werden seit Jahren in der Materialbearbeitung eingesetzt. 2µm-Laser bieten jedoch eine Vielzahl von Vorteilen, z. B. die Möglichkeit, präzise Strukturen mit minimaler lokaler Erwärmung zu schneiden. Viele Polymere, z.B. Kunststoffe, weisen eine hohe Durchlässigkeit bei Wellenlängen um 1 µm auf, was die Bearbeitung mit diesen Lasern erschwert, da die Strahlen durch das Material hindurchgehen und nicht absorbiert werden. Es ist möglich, die Absorption von Polymeren bei 1 µm durch Zusatzstoffe zu erhöhen, was aber den Fertigungsprozess komplizierter macht. Andererseits weisen viele Kunststoffe eine starke Absorption bei 10 µm auf. Dies führt zu einer effektiven Erwärmung der Oberfläche, aber nicht zu der punktgenauen Erhitzung, die für eine präzise Verarbeitung erforderlich ist.

Zum Glück weisen viele dieser Materialien ein besser geeignetes Absorptionsverhalten bei Wellenlängen um 2 µm auf. Die 2µm-Strahlung kann auch in diesen Kunststoffen auf die optimale Eindringtiefe fokussiert werden und die Intensität kann fein geregelt werden. Somit wird das Material punktgenau erhitzt und Schnitte sowie Schweißungen mit Breiten von 0,1 bis 0,5 mm werden möglich (Abbildung 1). Eine wichtige Anwendung für Kunststoffschweißen mit 2-µm-Lasern ist die Verbindung von Medizinprodukten wie Implantaten, mikrofluidischen Vorrichtungen, Schläuchen und Kathetern.

Linearschweißen von Kunststoffen mit einem 2-µm-Laser
Abbildung 1: Linearschweißen von Kunststoffen mit einem 2-µm-Laser

Medizinische Laser

2-µm-Laser sind aufgrund der hohen Absorption der 2-µm-Strahlung in Wassermolekülen, die den Großteil des menschlichen Gewebes bilden, ideal für chirurgische Eingriffe geeignet, bei denen hohe Präzision erforderlich ist. Die starke Absorption entsteht durch die Streck- und Scherschwingungen der OH-Bindungen in Wassermolekülen, deren Schwingungsfrequenz sehr exakt der 2-µm-Strahlung entspricht. Abbildung 2 zeigt das Absorptionsspektrum von Wasser sowie die Eindringtiefe in Gewebe für eine Vielzahl von gebräuchlichen Lasertypen. Die Abbildung zeigt die hohe Absorptionsspitze bei 2 µm sowie folgerichtig eine optimal kleine und präzise Eindringtiefe. Im Gegensatz dazu ist die Eindringtiefe beim 3 µm-Peak für chirurgische Anwendungen nicht ausreichend.

Wegen dieser hohen Absorption kann mit 2-µm-Lasern eine Ablation oder Beseitigung von Gewebe mit einer sehr kleinen Verletzungszone von ca. 0,5 mm erreicht werden. Darüber hinaus induziert 2-µm-Strahlung die Blutgerinnung, d. h. das Blut geht von einem flüssigen Zustand in einen halbfesten Zustand über und bildet ein Blutgerinnsel. Dadurch werden Blutungen bei chirurgischen Eingriffen unterdrückt, sodass Eingriffe sauberer, leichter und effizienter werden.

Absorption von Wasser und Gewebeeindringtiefe bei verschiedenen Wellenlängen
Abbildung 2: Absorption von Wasser und Gewebeeindringtiefe bei verschiedenen Wellenlängen

2-µm-Laseroptiken bei Edmund Optics®

Häufig gestellte Fragen

FAQ  2-µm-Laser sind keine neue Erfindung. Warum sind sie momentan in der Optikbranche so angesagt?
2-µm-Laser werden in letzter Zeit häufiger eingesetzt, weil ihre Leistung verbessert sowie Größe und Kosten verringert wurden.
FAQ  Welcher 2-µm-Laser ist für die Materialbearbeitung besser geeignet: Dauerstrichlaser oder Pulslaser?

2-µm-Dauerstrichlaser erzeugen bei der Lasermaterialbearbeitung Wärmeeinflusszonen an den oberen und unteren Oberflächen, sodass die Prozessgenauigkeit sinkt. Demgegenüber erzeugen 2µm-Pulslaser kleinere Wärmeeinflusszonen, sodass die Oberflächenschäden geringer und die Prozessgenauigkeit besser sind.

FAQ  Warum sind 1-µm-Laser in chirurgischen Anwendungen nicht so effektiv wie 2-µm-Laser?

Die Strahlung von 1-µm-Lasern weist eine geringere Absorption als 2-µm-Laser auf und dringt tiefer in Gewebe ein, sodass die Verletzungszonen größer sind und mehr unnötiges totes Gewebe entsteht. Da die Präzision bei der Chirurgie ein wichtiger Faktor ist, muss die Schnitttiefe fein geregelt werden, um eine Beschädigung des tieferliegenden Gewebes zu vermeiden. 2-µm-Laser bieten diese Präzision und sollten daher für chirurgische Anwendungen in Betracht gezogen werden.

FAQ   Welche optischen Materialien sind mit 2-µm-Lasern kompatibel?

Zu den gebräuchlichsten Materialien, die im 2-µm-Spektralbereich eingesetzt werden, zählen Quarzglas, Zinkselenid, Calciumfluorid (CaF2), Germanium und Saphir. Weitere Informationen zu kompatiblen optischen Materialien und deren Eigenschaften finden Sie in unserem Anwendungshinweis zu den Merkmalen von 2-µm-Lasern.

Tipps & Downloads

Anwendungshinweise

Technische Informationen und Anwendungsbeispiele, beispielsweise theoretische Grundlagen, Gleichungen, grafische Darstellungen und vieles mehr.

Anwendungshinweis zu den Merkmalen von 2-µm-Lasern<
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